公告/发布日期:2017/06/26

米乐(中国)官方网站 使用扫描 SQUID 显微镜进行磁成像在地质学中的应用

-根据海底锰结壳估算过去的气候变化和年龄-

积分

  • 使用扫描 SQUID 显微镜对地质样品进行锰结壳高分辨率磁成像
  • 成功估算了锰结壳的形成年龄并检测了过去气候变化的影响
  • 全球环境变化无损精准重建的期望


摘要

米乐m6官方网站[理事长中钵良二](以下简称“AIST”)地质信息研究部[研究部主任田中雄一郎]全球变化历史研究小组Hirokuni Oda,高级首席研究员,Sato Masahiko,研究员,Atsushi Noguchi,研究助理,金泽工业大学[校长Satoshi Osawa]先进电子技术应用研究所[主任Gen Uehara](以下简称“金泽工业大学”)Atsushi Kawai教授,国立大学法人高知大学校长Hiroshi Wakiguchi](以下简称“高知大学”)研究生Atsushi Noguchi、Akira Usui教授和Yuji Yamamoto教授正在使用扫描SQUID显微镜来调查海底。锰结壳样本中留下的磁记录以高分辨率成像,以估计年龄并检查过去的气候变化。

 在这个成就中超导量子干涉装置使用 (SQUID)扫描 SQUID 显微镜8678_8724地球磁场反转,标准地磁场反转时间轴比较来估计形成年龄。 (图)。还证实了样品中所含磁性矿物的成分自大约300万年前以来就发生了变化,并推测这是由于气候变化的影响所致。

 该结果详情发表于2017年6月3日美国学术期刊地球物理研究快报

概览图
叠加在光学显微镜图像上的薄锰壳样品的表面磁场图
红色表示屏幕上指向上方的磁场,蓝色表示屏幕上指向下方的磁场。右侧是分析后的锰结壳的横截面。


发展的社会背景

 锰结壳包含了数千万年来海洋环境和气候变化的记录,通过确定其形成的确切年龄,有望准确重建过去长期的全球环境信息。迄今为止,锰结壳的形成年龄都是通过化学分离来估算的。加速器质谱仪铍等同位素分析是主要方法,但存在劳动强度大、耗时长的问题。因此,需要一种能够快速、准确地估算形成年龄和生长速率的测量方法。

研究历史

 2011年,产业研究院与高知大学、麻省理工学院、范德比尔特大学合作,在世界上首次以01毫米的分辨率测量了锰结壳中记录的地磁场反转痕迹,并估算了其形成年龄和生长速度(2011 年 2 月 28 日新闻公告)。当时使用范德比尔特大学的扫描SQUID显微镜进行分析,但后来AIST与金泽工业大学以及藤平株式会社等相关公司合作,制造出用于地质样品的同类型扫描SQUID显微镜,这是日本第一台能够在常温常压下分析样品的显微镜。范德比尔特大学的扫描SQUID显微镜不仅需要液氦,还需要液氮,但AIST的设备现在只需液氦即可操作,并且其连续操作时间也得到了延长,使得可以进行需要耗时测量的分析。利用该设备,我们对海底锰结壳进行了磁成像,确定了详细的形成年龄,并研究了锰结壳的形成环境与气候变化的关系。

 这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金(A)“使用SQUID显微镜对行星古磁场的开创性高级研究”(2013财年-2013财年)的支持。

研究内容

 本研究的主题是日本海洋地球科学技术机构 2009 年进行的一次研究巡航期间,从位于南鸟岛西南约 150 公里、深度约 2200 米的海山露头收集的锰结壳。利用日本产业技术研究院地质博物馆先进的干式薄片制备技术制备了高质量的薄片样品,并使用地质样品扫描 SQUID 显微镜以 01 mm 的高分辨率对该薄片表面进行了磁成像(图 1)。通过确定两个分析范围内地壳生长方向上的平均地表磁场分布来确定地磁场反转边界的位置(图2),并通过将其与标准地磁场反转年龄轴进行比较来估计年龄(图3左)。根据估计年龄,平均生长速度估计为每百万年 34 毫米。通过对同一样品的铍同位素分析估计的增长率为每百万年 29 毫米,这大致相符(图 3,右)。

另外,锰壳中含有的磁性矿物矫顽力的磁成像已证实,从300万年前至今,具有高矫顽力的磁性矿物数量有所增加(图4)。这通常被认为是大约 280 万年前北半球冰盖的发展,来自欧亚大陆的风载土壤颗粒被带到了锰结皮比以前更多地生长的地区。

扫描 SQUID 显微镜的测量部分图示
图1扫描SQUID显微镜的测量部分
将薄样品压在底部的蓝宝石窗口上,同时沿 X 和 Y 方向扫描并以 01 毫米的间隔测量磁场的垂直分量。使用液氦冷却的 SQUID 元件可以进行高度灵敏的测量。

锰结壳薄片样品的磁图像(右,中)和光学显微镜图像(左,中)
图2 锰壳薄片样品的磁像(右中)和光学显微镜图像(左中)
顶部是样品表面。红色表示磁场指向屏幕上方,蓝色表示磁场指向屏幕下方。中心图像是左右图像的叠加。两个区域 A 和 B 各自的平均水平磁场值如图 3 左侧所示。

锰结壳生长方向(图2中垂直方向)平均地表磁场分布(左上:图2中A;左下:图2中B),标准地磁场反转年龄轴(中左)与生长速率线(右)图
图3 锰结壳生长方向(图2中垂直方向)平均地表磁场分布(左上:图2中A;左下:图2中B)、标准地磁场反转年龄轴(中左)和生长速率线(右)
在标准地磁场反转时间轴上,黑色表示正磁极周期,白色表示反磁极周期。生长速率线上,蓝色为A,红色为B。黑线是铍同位素分析得到的生长速率线。

锰壳薄片样品中磁性矿物成分分布图
图4 锰壳薄片样品中磁性矿物成分分布图
顶部是样品表面。图的左侧是光学显微镜图像,图的右侧是磁性矿物的分布,图的中心是这些图像的叠加图像。图的右侧显示了根据图3中的年代模型估计的年代轴。大约300万年前,高矫顽力区域(蓝色)一直在斑块中增加。此外,高矫顽力部分对应于锰结皮的柱状结构中的间隙。

未来计划

 未来,我们将在我们研发的扫描SQUID显微镜中安装液氦液化循环装置,实现连续运行,从而可以快速、无损地估算锰结壳的年龄。它还将有助于阐明生长过程,长期恢复全球环境,并有助于预测未来的环境变化。

查询

地质信息研究部全球变化史研究组
高级首席研究员 Hirokuni Oda 电子邮件:hirokuni-oda*aistgojp(发送前请将 * 更改为 @。)



术语解释

◆锰结壳
一种主要由铁和锰氧化物组成的矿物,像地壳一样生长在海底裸露岩石的表面。它们的厚度从最薄的 1 毫米到最厚的 40 厘米。生长极其缓慢,有些物种需要数千万年才能生长。由于增长速度缓慢,且陆源物质影响较小,预计过去海洋环境和气候变化的长期记录仍将保留。它还可能含有陨石等外星物质的痕迹。含有微量金属,如钴、镍、铂、钛。[返回来源]
◆超导量子干涉装置(SQUID)
基于量子效应的磁传感元件,在超导状态下工作。用于测量弱磁场。有在液氦温度下运行的低温超导 SQUID 和在液氮温度下运行的高温超导 SQUID。[返回来源]
◆扫描SQUID显微镜
一种设备,使用带有微型检测线圈的高灵敏度 SQUID 磁传感器,在微观尺度上对非常接近样品表面的弱磁场分布进行成像。有两种类型:一种类型是将样品放置在与磁传感器相同的低温真空容器中并使其靠近传感器,从而可以进行高分辨率测量;另一种类型可以在室温和压力下测量样品。它用于无损检测以分析半导体和超导材料,并检查机械零件的裂纹。[返回来源]
◆地磁场反转,标准地磁场反转时间轴
当前地球的磁场可以用放置在地球中心的条形磁铁来近似,北极对应磁铁的南极,罗盘的北极指向北方(正磁极周期)。地球磁场的极性自首次出现以来已发生多次反转。最近一次地球磁场反转发生在78万年前,在此之前,北极对应于磁体的北极,罗盘的南极指向北方(磁极性反转时期)。先前的研究已经准确地了解了这些地磁场反转发生的年龄,并已将其确立为标准的地磁场反转年代轴。通过将该标准地磁场反转年龄轴与未知样本中连续记录的地磁场反转边界一一关联起来,可以估算出样本的年龄。[返回参考源]
◆加速器质谱仪
一种通过在加速器中加速目标元素离子或含有该元素的分子离子并施加磁场改变离子轨迹来分离和检测不同质量同位素的装置。[返回来源]
◆同位素分析
从样品中化学分离各种元素后确定其同位素丰度和同位素比率的分析。地质样本的年龄可以通过已知半衰期的放射性同位素(在本研究中,由大气中宇宙射线产生的质量数为10的铍同位素)的同位素分析来估计。[返回来源]
◆矫顽力
铁磁材料具有自发磁化,并且具有与晶体取向和形状相关的多个易磁化方向。这是指改变这些磁化方向所需的外部磁场的强度。众所周知,数值根据磁性矿物的类型、粒度等而变化。[返回来源]
◆北半球冰盖发展
从海底沉积物重建过去全球环境的研究表明,从大约280万年前开始,除了南半球的南极冰盖之外,北半球的冰盖也在发育,导致地球变冷。大约在同一时间,中国内陆开始出现干湿循环沉积物。[返回来源]


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